1980～2019年夏季青藏高原中東部極端日降水分布特征

落桑曲加 , 白 瑪 , 胡 萍 , 頓玉多吉

（1.西藏自治區(qū)山南市氣象局，山南 856000；2.西藏自治區(qū)氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心，拉薩 850000；3.貴州省銅仁市氣象局，銅仁 554300；4.西藏自治區(qū)氣候中心，拉薩 850000）

引言

隨著全球變暖逐漸成為氣象學(xué)界的基本共識(shí)，在此背景下極端氣候事件的發(fā)展趨勢(shì)愈發(fā)受到學(xué)者們的重視。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出，全球極端降水異常增多，尤其是中緯度高原地區(qū)降水強(qiáng)度和頻率在發(fā)生著明顯變化[1-2]。

青藏高原作為“世界第三極”，高原本身的氣候變化敏感性強(qiáng)、變化幅度大，加上其對(duì)下游東亞地區(qū)大氣環(huán)流和氣候格局分布有重要影響[3-7]，當(dāng)?shù)氐臍夂蜃兓诮陙硪鹆烁鲊?guó)研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者廣泛關(guān)注。如近30 a青藏高原增溫幅度遠(yuǎn)高于全國(guó)，盡管降水同樣存在顯著的增長(zhǎng)趨勢(shì)，但此種趨勢(shì)在青藏高原呈東西反位相的分布，大部地區(qū)有由干轉(zhuǎn)濕的發(fā)展趨勢(shì)，但其中夏季降水變化幅度稍小[8-11]。

除此之外，已有不少學(xué)者分析了青藏高原地區(qū)極端降水規(guī)律。You等[12]和韓熠哲等[13]研究發(fā)現(xiàn)，青藏高原中東部地區(qū)總降水量和強(qiáng)降水量均呈顯著的增加趨勢(shì)，但降水日數(shù)呈減少趨勢(shì)。趙雪燕等[14]研究發(fā)現(xiàn)，高原東部強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在7月，強(qiáng)降水和降水的頻次均自東南向西北遞減，并且強(qiáng)降水的相對(duì)強(qiáng)度與降水量之間存在明顯的反相關(guān)。雖然上述研究說明青藏高原的極端降水和總降水呈不斷增多的顯著特征，但由于高原地區(qū)氣象觀測(cè)站點(diǎn)分布密度的差異以及錯(cuò)綜復(fù)雜的地理環(huán)境，使得學(xué)者們對(duì)高原范圍內(nèi)不同區(qū)域降水的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)仍存在不同見解[15-17]。

由于青藏高原地形地貌錯(cuò)綜復(fù)雜，高原上各地對(duì)于不同強(qiáng)度極端降水量的承載量并不相同，而前人對(duì)于青藏高原極端降水的研究大多采用固有降水閾值，且絕大部分研究時(shí)段集中在2010s初期以前，對(duì)于近年來青藏高原上不同強(qiáng)度極端降水的最新變化特征研究較少。因此，本文利用百分位法選取不同的降水閾值，對(duì)青藏高原地區(qū)不同強(qiáng)度的極端降水進(jìn)行分類，深入分析1980～2019年青藏高原夏季極端降水的時(shí)空分布特征，以期為豐富青藏高原極端降水的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)理論和科學(xué)制定防災(zāi)減災(zāi)決策提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

由于青藏高原西部觀測(cè)站點(diǎn)較少且資料時(shí)間較短，本文的研究范圍選取在青藏高原中東部（87°～101°E，28°～35°N），包括西藏中東部、青海中南部和川西高原（圖1a）。區(qū)域內(nèi)大部分地區(qū)海拔高度均在3500 m以上，地勢(shì)西高東低。研究時(shí)段為1980～2019年夏季。

觀測(cè)資料來自中國(guó)氣象局提供的2400站逐日觀測(cè)資料集，青藏高原中東部共有118個(gè)站點(diǎn)，剔除沒有降水觀測(cè)、在研究時(shí)段內(nèi)存在兩年以上夏季缺測(cè)以及海拔高度低于2000 m的站點(diǎn)后，共保留58個(gè)站點(diǎn)，其位置分布如圖1b所示。區(qū)域平均與各個(gè)站點(diǎn)之間夏季降水的相關(guān)分析（圖1b）顯示，研究范圍內(nèi)大部分站點(diǎn)均為顯著的正相關(guān)，其中在30°～32°N緯度帶的相關(guān)系數(shù)甚至超過了0.8，表明青藏高原中東部地區(qū)夏季降水存在顯著的一致性。因此，可將上述研究區(qū)域當(dāng)作一個(gè)整體進(jìn)行分析。

圖1 東亞地區(qū)地形（a.紅框表示青藏高原中東部，填色表示海拔高度，單位：m）及青藏高原中東部區(qū)域平均的夏季降水與各站降水的相關(guān)分布（b.黑點(diǎn)大小表示通過不同水平的顯著性檢驗(yàn)）

對(duì)于缺測(cè)資料的處理，文中采用當(dāng)日的多年平均氣候態(tài)日降水值替代部分站點(diǎn)缺測(cè)的逐日降水資料。除特別說明外，氣候態(tài)指1980～2019年夏季（6～8月）的多年平均值。

1.2 極端日降水定義

本文采用翟盤茂等[18]提出的百分位法用于確定極端日降水事件閾值。首先對(duì)研究時(shí)段中各個(gè)站點(diǎn)的日降水量（≥0.1 mm）進(jìn)行排序，將99%分位上的降水值作為該站點(diǎn)99%分位極端日降水的降水閾值；采用同樣方法，可分別獲取95%、90%、75%三個(gè)百分位上的降水閾值。運(yùn)用此方法可有效避免以往在針對(duì)極端降水閾值的選取上“一刀切”的做法，同時(shí)讓不同區(qū)域的閾值之間有了參照性。

2 夏季降水時(shí)空分布特征

由圖2可見，青藏高原中東部夏季降水普遍介于250～400 mm，總體呈東多西少、中間多南北少的分布特征；由于青藏高原中東部地形復(fù)雜且站點(diǎn)分布密度較低，降水空間分布具有較明顯的不均勻性；在西藏中部及川西高原附近存在兩個(gè)降水大值中心，中心值分別超過380 mm和450 mm；在藏東和青海中南部存在多個(gè)降水低值區(qū)，中心值普遍低于250 mm。降水量標(biāo)準(zhǔn)差分布與降水值分布形勢(shì)基本一致，降水較大地區(qū)的年際變率較大，降水低值區(qū)的年際變率相對(duì)較小?？傮w來說，青藏高原中東部夏季降水年際變率分布較降水量更為均勻，大部地區(qū)介于60～90 mm，高低值中心之間的差異并不明顯。

從時(shí)間變化（圖2b）看，青藏高原中東部夏季降水具有十分明顯的年際和年代際變化特征。除21世紀(jì)初期前后，其時(shí)間序列在相隔的兩年中幾乎均存在正負(fù)位相之間的轉(zhuǎn)換，表明在年際時(shí)間尺度上青藏高原中東部夏季旱澇轉(zhuǎn)換較為頻繁。在年代際變化中，1980s～1990s后期為青藏高原中東部夏季降水偏少時(shí)期，而1990s末～2000s中后期為降水偏多時(shí)段，尤其是1998年的偏多幅度明顯大于其余年份，2010s初期以來仍處于降水偏多時(shí)期，這與已有的研究結(jié)論[19]一致。

圖2 青藏高原中東部夏季降水氣候態(tài)（a.填色表示夏季降水，等值線表示標(biāo)準(zhǔn)差，即年際變率，單位：mm）及其時(shí)間序列（b.實(shí)線表示標(biāo)準(zhǔn)化距平，虛線表示9 a滑動(dòng)平均）

3 不同分位極端日降水氣候特征

按照極端日降水的定義，圖3給出了青藏高原中東部夏季不同分位極端日降水閾值的空間分布?？梢钥闯?，99%分位極端日降水閾值除青海中南部外，其余普遍在24 mm/d以上，尤其是川西高原和藏中地區(qū)超過了32 mm/d。對(duì)于95%分位來說，其分布形勢(shì)與99%分位相似，但其閾值大幅下降至16～20 mm/d，尤其是降水高值中心的川西高原，兩個(gè)分位之間的閾值差異超過12 mm/d。相比之下，90%分位閾值的下降幅度則明顯減小，大部分地區(qū)仍維持在12～16 mm/d。對(duì)于75%分位來說，其降水閾值則進(jìn)一步大幅下降至7～9 mm/d，且不同區(qū)域之間的閾值差異在4個(gè)百分位的極端日降水中最小。

圖3 青藏高原中東部夏季不同分位極端日降水閾值空間分布（a.99%分位，b.95%分位，c.90%分位，d.75%分位）

由上述分析可知，與標(biāo)準(zhǔn)降水量級(jí)的定義明顯不同，青藏高原中東部地區(qū)夏季99%分位極端日降水閾值也僅僅是處于大雨量級(jí)（≥25.0 mm）范圍之內(nèi)，尤其是75%分位降水閾值在大部分地區(qū)僅為小雨（≤10.0 mm）量級(jí)，但對(duì)于地形錯(cuò)綜復(fù)雜的高原而言，上述量級(jí)的降水帶來的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過盆地和丘陵地區(qū)。

圖4給出了不同分位極端日降水年均頻次及其變化趨勢(shì)的空間分布。如圖4a所示，青藏高原中東部夏季99%分位極端日降水在大部分地區(qū)的年均頻次低于0.5次，即是大多2 a左右才發(fā)生一次99%分位極端日降水；頻次大值區(qū)位于藏中地區(qū)，年均頻次超過0.68次；其長(zhǎng)期變化趨勢(shì)顯示，絕大部分地區(qū)夏季99%分位極端日降水為增多趨勢(shì)，尤其是藏中和川西高原，年均頻次的氣候傾向率甚至超過了1.5次/10 a。如圖4b、c所示，與降水閾值的分布特征相類似，95%和90%分位極端日降水的年均頻次均上升至2次以上，兩個(gè)分位之間的差距同樣較小，且大值中心同樣位于藏中地區(qū)，分別超過了2.7次和3.5次；但二者的長(zhǎng)期趨勢(shì)分布卻與99%分位近乎相反，藏中東地區(qū)的年均頻次呈顯著的減少趨勢(shì)，其中95%分位的年均頻次氣候傾向率為-4次/10 a。如圖4d所示，75%分位極端日降水的年均頻次超過了6～8次，藏中地區(qū)甚至超過10次；從長(zhǎng)期趨勢(shì)來看，近40 a來同樣以減少的趨勢(shì)為主，但趨勢(shì)變化的低值中心位于青海和西藏交界的附近地區(qū)；值得注意是，在降水量和降水閾值普遍較低的藏西地區(qū)，其變化趨勢(shì)卻呈顯著的增多趨勢(shì)，中心值甚至超過了6次/10 a，表明藏西地區(qū)75%分位極端日降水的發(fā)生頻次在不斷增多。

圖4 同圖3，但為年均頻次（陰影，單位：次）及其長(zhǎng)期變化趨勢(shì)（等值線，單位：次/10 a，網(wǎng)格區(qū)表示通過95%信度的顯著性檢驗(yàn)）

圖5給出了不同分位極端日降水的年均累計(jì)降水量空間分布。如圖5a所示，青藏高原中東部夏季99%分位所產(chǎn)生的降水量約為20 mm，其中藏西和青海中南部地區(qū)的低值中心降水量在15 mm以下，超過27 mm的高值中心位于藏中地區(qū)，川西地區(qū)還存在25 mm左右的次高值中心；而從該分位極端日降水帶來的降水量在夏季降水中的占比來看，盡管各個(gè)區(qū)域的降水量有所差異，但其占比均為6%，僅藏中附近能達(dá)到8%。對(duì)于95%分位極端日降水（圖5b）來說，大部地區(qū)的累計(jì)降水量可達(dá)36 mm，藏中和川西高原地區(qū)可超過72 mm，在夏季降水中占比可達(dá)到15%～18%。如圖5c所示，90%分位極端日降水所產(chǎn)生的降水量介于30～60 mm，其在夏季降水中占比為14%～15%，均低于95%分位，表明95%分位比99%和90%分位具有更為突出的貢獻(xiàn)。但結(jié)合前文的長(zhǎng)期趨勢(shì)分析可知，盡管目前99%分位的貢獻(xiàn)不如95%分位，但近40 a來99%分位所產(chǎn)生的貢獻(xiàn)在不斷增加，而95%和90%分位在不斷降低。如圖5d所示，75%分位極端日降水所產(chǎn)生的降水量大幅增加至100 mm以上，其在夏季降水中的占比也驟升至30%左右。由此可見，盡管這4個(gè)分位的降水頻次只占夏季總頻次的25%左右，但其在夏季總降水量中的貢獻(xiàn)可達(dá)到70%。

圖5 同圖3，但為年均累計(jì)降水量（陰影，單位：mm）及其在夏季中的占比（等值線，單位：%）

4 日降水量分布及其對(duì)夏季降水的貢獻(xiàn)

為進(jìn)一步分析青藏高原中東部日降水值的分布及其對(duì)夏季降水的貢獻(xiàn)，圖6給出了青藏高原中東部區(qū)域平均的日降水量及其所帶來的總降水量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近40 a來青藏高原中東部共出現(xiàn)3675個(gè)降水日（區(qū)域平均日降水量≥0.1 mm），有94個(gè)日降水值介于0.1～10.5 mm，共帶來11578.8 mm的夏季降水。由圖6可見，無論是不同日降水值所出現(xiàn)的頻次還是其所帶來的總降水量，均呈明顯的單峰型分布。對(duì)于單值來說，3.1 mm的日降水量共出現(xiàn)了106次，其帶來的總降水量達(dá)328 mm，二者均為各自的極大值。從滑動(dòng)平均來看，日降水量的頻次波峰介于2～3 mm，而總降水量的波峰位置更加偏向于3～4 mm。此外，當(dāng)日降水量低于3.5 mm時(shí)，總降水量隨著各個(gè)日降水值的增大而增加，之后開始緩慢減少，而在超過8 mm后趨于平緩。除3.1 mm外，4.0 mm日降水量同樣給青藏高原中東部帶來了超過300 mm的累計(jì)降水，而2.4～5.1 mm這一范圍內(nèi)的日降水帶來的降水總量達(dá)到6834.1 mm，占夏季總降水量的59%，在青藏高原中東部夏季降水中具有關(guān)鍵作用。

圖6 1980～2019年青藏高原中東部夏季日降水值分布及其帶來的總降水量變化曲線（細(xì)線表示單個(gè)降水量形成的總量，粗線表示11點(diǎn)滑動(dòng)平均，空心柱表示每個(gè)日降水量值所出現(xiàn)的頻次）

5 結(jié)論

本文采用百分位法對(duì)近40 a青藏高原中東部地區(qū)夏季極端日降水進(jìn)行分類，分析了不同分位極端日降水的氣候分布特征，得到以下主要結(jié)論：

（1）青藏高原中東部夏季降水及其年際變率呈東多西少、中間多南北少的反位相分布特征，西藏中部及川西高原為兩個(gè)降水大值中心，存在明顯的年際和年代際變化。

（2）青藏高原中東部不同分位極端日降水閾值空間分布與夏季降水分布相似。99%分位極端日降水閾值普遍在24 mm/d以上，而95%和90%兩個(gè)分位的閾值差異較小，大部地區(qū)維持在12～20 mm/d，75%分位極端日降水閾值大幅下降至7～9 mm/d。青藏高原中東部99%分位極端日降水的出現(xiàn)頻次呈顯著的上升趨勢(shì)，其余幾個(gè)分位以下降趨勢(shì)為主。

（3）相較于99%和90%分位，95%分位極端日降水在青藏高原中東部夏季降水中具有更為突出的貢獻(xiàn)。近40 a來99%分位極端日降水的貢獻(xiàn)在不斷增加，而95%和90%分位的貢獻(xiàn)在不斷降低。此外，4個(gè)分位的極端日降水在夏季降水量中的貢獻(xiàn)可達(dá)到70%。

（4）近40 a來，青藏高原中東部共出現(xiàn)3675個(gè)降水日，有94個(gè)日降水量值介于0.1～10.5 mm，日降水量的頻次波峰介于2.0～3.0 mm，總降水量的波峰位置更加偏向于3.0～4.0 mm。3.1 mm和4.0 mm日降水量均為青藏高原中東部帶來了超過300 mm的夏季降水，而2.4～5.1 mm日降水量所帶來的降水占到了夏季總降水量的59%，在青藏高原中東部夏季降水中具有重要貢獻(xiàn)。